2-х корпусная выпарная установка

Федеральное агентство по образованию РФ

ГОУ ВПО Ивановский Государственный Химико-Технологический

Университет

 

 

 

Кафедра Процессов и Аппаратов Химической Технологии

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчетно-пояснительная записка к курсовому проекту на тему: 2-х корпусная выпарная

установка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: студент гр. 4/5

Булякин В. А.

Проверил: Волкова Г. В.

 

 

 

 

 

 

Иваново 2007

Содержание:

 

Задание…………………………………………………………………..2

Содержание………………………………………………………….…..3

Введение…………………………………………………………………4

Технологическая схема…………………………………………………5

Технологический расчет выпарной установки………………….…….6

Конструктивный расчет выпарной установки………………………..10

Технологический расчет полочного конденсатора…………………..15

Вывод по работе…………………………………………………...…...18

Список использованной литературы………………………………….19

Спецификация…………………………………………………………..20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Выпаривание - это процесс концентрирования растворов нелетучего вещества путем удаления жидкого летучего растворителя в виде пара. Сущность выпаривания заключается в переводе растворителя в парообразное состояние и отвод полученного пара от оставшегося сконцентрированного раствора. Выпаривание обычно проводят при кипении, т.е. в условиях, когда давление пара над раствором равно давлению в рабочем объеме аппарата. 

Этот процесс подучил широкое распространение в химической промышленности, в связи с тем, что многие вещества, например едкий натр, аммиачная селитра, сульфат аммония и другие получают в виде разбавленных водных растворов, а на дальнейшую переработку и транспорт они должны поступать в виде концентрированных продуктов.

Для нагревания выпариваемых растворов до кипения используют топочные газы, электрообогрев и высокотемпературные теплоносители, но наибольшее применение находит водяной пар, характеризующийся высокой теплотой конденсации и высоким коэффициентом теплоотдачи.

Выпаривание можно проводить под вакуумом, при атмосферном и повышенном давлении.

Процесс выпаривания проводится в выпарных аппаратах, конструкции которых очень разнообразны, что значительно усложняет их классификацию. Наибольшее распространение получили выпарные аппараты с паровым обогревом, имеющие поверхность теплообмена, выполненную из труб.

Выпарные аппараты с паровым обогревом состоят из двух основных частей:

- кипятильник (греющая камера) в котором расположена поверхность теплообмена и происходит выпаривание раствора;

- сепаратор - пространство, в котором вторичный пар отделяется от раствора.

В зависимости от характера движения кипящей жидкости в выпарном аппарате различают:

- выпарные аппараты со свободной циркуляцией;

- выпарные аппараты с естественной циркуляцией;

- выпарные аппараты с принудительной циркуляцией;  

- пленочные выпарные: аппараты.

Выпарные аппараты с естественной циркуляцией отличаются высокой производительностью и широко используются для выпаривания растворов с относительно невысокой вязкостью. В таких аппаратах циркуляция осуществляется за счет разности плотностей в отдельных точках аппарата.

Раствор, находящийся в кипятильных трубках закипает и в результате испарения части жидкости в этих трубках образуется парожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности самого раствора. В результате этого раствор в кипятильных трубках поднимается, а в циркуляционной трубе опускается. При циркуляции повышается коэффициент теплоотдачи со стороны кипящей жидкости и предохраняется поверхность труб от образования накипи.

Существует несколько типов аппаратов с естественной циркуляцией: с центральной циркуляционной трубой, с подвесной греющей камерой, с выносной греющей камерой и т.д.

Выпарные аппараты с центральной циркуляционной трубой получили наиболее широкое распространение из-за простоты конструкции и легкоти очистки и ремонта. В тоже время наличие обогреваемой циркуляционной трубы снижает интенсивность циркуляции.

 

 

Технологическая схема

 

 

 

1. Теплообменник.

2, 3. Выпарная установка.

4. Барометрический конденсатор.

5. Барабанный кристаллизатор.

6. Вакуум-фильтр.

7.Сушилка кипящего слоя.

8. Циклон.

9. Калорифер.

 

 

 

Рис. 1 Технологическая схема.

 

 

Исходный раствор  центробежным насосом подается в теплообменник, где нагревается до заданной температуры и поступает в выпарной аппарат. Нагрев раствора в теплообменнике и выпаривание осуществляются за счет теплоты конденсации  греющего пара: образовавшийся при этом конденсат, сбрасывается в линию конденсата и может использоваться в качестве оборотной воды. Упаренный раствор из 1-го корпуса поступает во второй корпус 2 выпарного аппарата. Образовавшийся при выпаривании вторичный пар из первого корпуса подается во второй в качестве греющего пара, а вторичный пар из второго корпуса поступает в барометрический конденсатор, где смешивается с холодной водой, конденсируется и сбрасывается в линию конденсата. Упаренный раствор поступает в барабанный кристаллизатор, затем раствор фильтруется вакуум-фильтром. После этого кристаллы поступают на сушку в сушилку кипящего слоя, в которую поступает горячий воздух из калорифера. В циклоне улавливаются мельчайшие частицы кристаллов соли, уносимые из сушилки потоком воздуха.

 

Технологический расчет выпарной установки

 

W = Gн∙(1-вн/вк) = 6000/3600∙(1-30/47) = 0,6 кг/с

W1 = W2 = 0.6/2 = 0.3 кг/с

вп =

в1 = ;      в2 =

 

Определение температуры кипения раствора:

ΔРобщ = Ргп1-Рвп= 0,3-0,04 = 0,26 МПа

Ргп2 = Ргп1-ΔРобщ/2 = 0,3-0,26/2 = 0,17 МПа

Рвп = Ргп2-ΔРобщ/2 = 0,17-0,26/2 = 0,04 МПа

 

Пар	Р, Мпа	t, 'C	λ , кДж/кг	r, кДж/кг
Греющий 1 корпуса	0,3	132,9	2730	2171
Греющий 2 корпуса	0,17	114,5	2706	2222
Вторичный 2 корпуса	0,04	75,4	2632	2320

[1c535] 
Δ’= 16,2∙

Δ’= 16,2∙

 

Δ’= 16,2∙

 

Рср= Рвп+hопт ∙ ρ ∙g

hопт= H ∙(0.26+0.0014(ρ- ρв))

Принимаем Н=4м      ρ1=1127,8 кг/м3  ρв1=947,4 кг/м3

ρ2=1259,1 кг/м3    ρв2=974,8 кг/м3  [1c536]

 

hопт1= 4(0,26+0,0014(1127,8-947,4)) = 2,05 м

hопт2= 4(0,26+0,0014(1259,1-974,8)) = 2,63 м

Рср1= 1,7 ∙105+2,05 ∙1127,8 ∙9,81 = 1,93 ∙105 Па

Рср2= 0,4 ∙105+2,63 ∙1259,1 ∙9,81 = 0,72 ∙105 Па

 

Этим давлениям соответствует температура насыщенного водяного пара:

t1ср=118,4 0С   [1c553]

t2ср=90,04 0С

 

Δ’’= tср- tвп

в первом корпусе: Δ1’’= 118,4-114,5 = 3,9 0С

во втором корпусе: Δ2’’= 90,04-75,4 = 14,64 0С

Принимаем Δ1-2’’’= 1 0C

∑ Δ1= Δ1’ +Δ1’’= 3.19+3.9 = 7.09 0C

∑ Δ2= Δ2’ +Δ2’’+Δ1-2’’’= 5.35+14.64+1 = 20.99 0C

∑ Δ  = ∑ Δ1+∑ Δ2 = 7.09+20.99 = 28.08 0C

 

Δtобщ= tгп-tвп = 123,9-75,4 = 57,5 0С

∑ Δt = Δtобщ-∑ Δ = 57,5-28,08 = 29,42 0C

tкип1 =tвп1+∑ Δ1= 114,5+7,09 = 121,59 0C

tкип2 =tвп2+∑ Δ2= 75,4+20,99 = 96,39 0C

Δ t1 = tгр.п.1- tкип1 = 132,9-121,59 = 11,31 0C

Δ t2 = tгр.п.2- tкип2 = 114,5-96,39 = 18,11 0C

 

Проверим правильность расчета: ∑ Δt = Δ t1+ Δ t2

26,42=11,31+18,11

29,42=29,42 (верно)

 

Определение тепловых нагрузок по корпусам:

1 корпус: Q1= D1 ∙(λгр.п.1-i1) = 1.02(Gн ∙cн ∙(tкип1-tн)+W1(λвп1-cв ∙tкип1))

2 корпус: Q1= W1 ∙(λгр.п.2-i2) = 1.02((Gн –W1)∙c1 ∙(tкип2-tкип1)+W2(λвп2-cв ∙tкип2))

 

для удаляемой воды:W = W1+W2

При в>0.2 c=cтв ∙в+4,19 ∙(1-в)

ств = кДж/(кг ∙К)

сн = 1,66 ∙0,3+4,19 ∙(1-0,3) = 3,1431 кДж/(кг ∙К)

с1 = 1,66 ∙0,37+4,19 ∙(1-0,37) = 3,254 кДж/(кг ∙К)

с2 = 1,66 ∙0,47+4,19 ∙(1-0,47) = 3,0 кДж/(кг ∙К)

tн = tвп1+ Δ1’ = 114,5+3,19 = 117,69 0C

св1 = 4,27 кДж/(кг ∙К)      θ1 = 130,9 0C

св2 = 4,23 кДж/(кг ∙К)      θ2 = 112,5 0C    [1c242]

 

Q1 = D1 ∙2171.06 = 8.19+W1 ∙2235.51

Q2 = W1 ∙(2706-4.23 ∙112.5)+W2 ∙(2632-4.23 ∙96.39))

Q2 = 2146.49W1 = -50.18+W2 ∙2268.76

W1+W2 = 0.6

W1 = 0.6-W2

2146.49 ∙(0.6- W2) = -50.18+ W2 ∙2268.76

W2 = 0.303 кг/с

W1 = 0,6-0,303 = 0,297 кг/с

D1 = 0.31кг/с

d = D1/W = 0.31/0.6 = 0.52

Q1 = 672.14 кВт

Q2 = 637.51 кВт

 

Отклонения для 1 корпуса:

Отклонения для 2 корпуса:

Расчет коэффициента теплоотдачи для 1 корпуса:

Предварительно принимаем Δ t’ = 2 0C

tпл = tгр.п+ Δ t’/2 = 132,9+2/2 = 133,9 0C

α1 = Вт/(м2К)

q1 = α1 ∙ Δ t’ =

 0C

Δ t’’ = Δ t1- Δ tст- Δ t’ = 11.31-7.12-2 = 2.19 0C

α2 = 7.71∙179380.6 = 2750.71

q2 = α2∙Δt’’ =2750∙2.19 = 6024.07

 

Принимаем Δ t’ = 1 0C

 Вт/(м2К)

Δ tст = 10666,35∙1∙3,97∙10-4 = 4,23 0C

Δ t’’= 11,31-4,23-1 = 6,08 0C

q1 = 10666.35∙1 = 10666.35 Вт/(м2К)

α2 = А∙q10.6 = 10666.350.6∙7.71 = 2013.68 Вт/(м2К)

q2 = α2 ∙ Δ t’’= 2013,68 ∙6,08 = 12234,05 Вт/м2

 

    Рис. 2.

 

По графику принимаем Δ t’= 1,14 0C

α1= 8969,3 =10322,61 Вт/(м2К)

Δ tст = 10322,61 ∙1,14 ∙3,97 ∙10-4 = 4,67 0C

Δ t’’ = 11,31-4,67-1,14 = 5,5 0C

q1 = 10322,61 ∙1,14 = 11767,78 Вт/м2

α2 = 7,71 ∙11767,780,6 = 2135,99 Вт/(м2К)

q2 = 2135.99 ∙5.5 = 11744.06 Вт/м2

 

К1 = Вт/(м2К)

 

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для второго корпуса:

Принимаем Δ t’’ = 2 0C

α1 = Вт/(м2К)

A =

Δ tст = 8734,35 ∙2 ∙3,97 ∙10-4 = 6,95 0C

Δ t’’ = 18,11-2-6,95 = 9,16 0C

α2 = 6,75 ∙(8734,35 ∙2)0,6 = 3854,8 Вт/(м2К)

q1 = 8734,35 ∙2 = 17468,71 Вт/м2

q2 = 35300,18 Вт/м2

q2>q1

 

Принимаем Δ t’= 3 0C

α1 = 8734,35 ∙ Вт/(м2К)

Δ tст = 7892,38 ∙3 ∙3,97 ∙10-4 = 9,42 0C

Δ t’’ = 18,11-3-9,42 = 5,69 0C

α2 = 6,75 ∙(7892,38 ∙3)0,6 = 3627,34 Вт/(м2К)

q1 = 7892,38 ∙3 = 23677,14 Вт/м2

q2 = 3627,34 ∙5,69 = 20626,87 Вт/м2

q1 > q2

 

По графику принимаем Δ t’ = 2,85 0C                       Рис. 3.

α1 = 8734,35 ∙ = 7994,24 Вт/(м2К)

Δ tст = 7994,24 ∙2,85 ∙3,97 ∙10-4 = 9,07 0C

Δ t’’ = 18,11-2,85-9,07 = 6,19 0C

α2 = 6,75 ∙(7994,24 ∙2,85)0,6 = 3655,36 Вт/(м2К)

q1 = 7994,24 ∙2,85 = 22783,58 Вт/м2

q2 = 3655,36 ∙6,19 = 22634,47 Вт/м2

 

 

К2 = = 1255,24 Вт/(м2К)

Δ ti =

 

Δ t1= 0C;       Δ t2= 0C

 

∑ Δ t = Δ t1+ Δ t2 = 16.48+12.94 = 29.42 0C

 

Поверхность теплообмена выпарного аппарата:

 

м2

 

м2

Конструктивный расчет выпарной установки

(расчет ведем по первому корпусу)

Выбор конструкционного материала

Так как водный раствор (NH4)2SO4 при температуре кипения является коррозионно-активным веществом, то в качестве конструкционного материала для основных деталей выбираем нержавеющую сталь Х18Н10Т ГОСТ 5632–72, которая является стойкой в сильно агрессивных средах до  температуры 600 °С.

Диаметр греющей камеры

Число нагревательных трубок диаметром 38´2, высотой 3 м:

n = F/pdcpL

где dcp = 0,036 м – средний диаметр трубки.

n = 40/p0,036×3,0 = 118 шт.

Площадь суммарного сечения всех кипятильных трубок:

fтр = 0,785ndвн2 = 0,785×118×0,0342 = 0,107 м2.

Площадь сечения циркуляционной трубы:

fц = 0,3fтр = 0,3×0,107 = 0,032 м2.

Диаметр циркуляционной трубы:

dц = (fц/0,785)0,5 = (0,032/0,785)0,5 = 0,20 м.

Принимаем dц = 200 мм.

Диаметр греющей камеры:

,

где b = 1,25 – коэффициент шага трубок;

a=60°–при размещении труб по вершинам правильных треугольников;

y = 0,8 – коэффициент использования трубной решетки;

dн = 0,038 м – наружный диаметр трубок;

А – площадь занимаемая циркуляционной трубой.

A = (dц+2bdн)2 = (0,2+2×1,25×0,036)2 = 0,08 м2

D = (0,4×1,252sin60°×40×0,038/0,8×3 + 0,08)0,5 = 0,76 м.

Принимаем диаметр корпуса греющей камеры 800 мм.

Толщина обечайки

d = DP/2sj +Cк

где D = 0,8 м – диаметр греющей камеры аппарата;

       P = 0,34 МПа – давление греющего пара;

       s = 138 МН/м2 – допускаемое напряжение для стали [2 c.76];

       j = 0,8 – коэффициент ослабления из-за сварного шва [2 c.77];

       Cк = 0,001 м – поправка на коррозию.

d = 0,8×0,34/2×138×0,8 + 0,001 = 0,003 м.

            принимаем толщину обечайки d=8 мм        [3 c.24].

Диаметр сепаратора

Принимаем диаметр сепаратора равным Dc = 1,2 м, тогда скорость пара в сепараторе:

wп = w/rп0,785Dc2 = 0,348/1,049×0,785×1,22 = 0,29 м/с.

Критерий Рейнольдса:

Re = wпdкrп/mп,

где dк = 0,3 мм – диаметр капли;

       mп = 1,2×10-5 Па×с – вязкость пара [1 с.557];

Re = 0,29×0,3×10-3×1,049/1,2×10-5 = 7,7.

Коэффициент сопротивления:

x = 18,5/Re0,6 = 18,5/7,70,6 = 5,44.

Скорость витания капли

,

wвит = [4×9,8(930 – 1,049)0,3×10-3/3×5,44×1,049]0,5 = 0,80 м/с.

Так как wп < wвит, то капли раствора будут оседать под действием силы тяжести, поэтому увеличивать диаметр сепаратора нет необходимости.

Днища

Наибольшее распространение в химическом машиностроении получили эллиптические отбортованные днища по ГОСТ 6533 – 78 [3 c.25], толщина стенки днища d1 =d = 8 мм.

 

 

 

                                              

 

Рис. 4.Схема днища.

Фланцы

Соединение обечайки с днищами осуществляется с помощью плоских приварных фланцев по ОСТ 26–428–79 [3 c.25]:

 

Рис. 5. Схема фланцев.

 

Опоры аппарата

Максимальная масса аппарата:

Gmax = Ga + Gв,

               где Ga = 3000 кг – масса аппарата,

                      Gв – масса воды заполняющей аппарат.

Gв = 1000×0,785D2H = 1000×0,785×0,82×11,0 = 5526 кг,

где Н = 11,0 м – высота аппарата.

Gmax = 3000 + 5526 = 8524 кг = 0,084 МН.